趙 波，馬宇明，趙 敏

（1．江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210007； 2．南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

智能電能表溫升檢測項(xiàng)目按照國家標(biāo)準(zhǔn)G B/T 17215.211-2006（等同國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62052-11-2003）中7.2條[1]，具體要求為“儀表每一電流線路通以額定最大電流，每一電壓線路（以及那些通電周期比其熱時(shí)間常數(shù)長的輔助電壓線路）加載1.15倍參比電壓，外表面的溫升在環(huán)境溫度為40℃時(shí)應(yīng)不超過25K。在2h的試驗(yàn)期間，儀表不應(yīng)受到風(fēng)吹或直接的陽光照射。”

目前測量智能電能表溫升有2種基本方法[2]。一種是通過平面紅外熱像儀測量，但平面熱像儀是非接觸式的，存在較大誤差，且不能長期在40℃時(shí)，無法對多表位進(jìn)行同時(shí)測量；另一種方法是通過接觸式溫度計(jì)（如溫度巡檢儀）等進(jìn)行測量，將多條溫度傳感器與智能電能表表面粘貼連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，這樣帶來的問題是對多表位多溫度測量點(diǎn)測量，有很多的連線，測量過程十分繁瑣。

針對以上問題，我們對智能電能表溫升項(xiàng)目進(jìn)行研究，研發(fā)了一種基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的智能電能表溫升自動(dòng)檢測系統(tǒng)（圖1）。具體檢測過程為：將多塊（圖中50塊）智能電能表安裝在處于恒溫恒濕室（箱）內(nèi)的電能表檢驗(yàn)支架上，在每塊電能表側(cè)放置1個(gè)溫度無線傳感節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)至少有6路溫度傳感通道，將電能表每個(gè)面上至少粘貼1個(gè)溫度傳感器，電能表安裝時(shí)注意背離恒溫恒濕室（箱）吹風(fēng)口，將恒溫恒濕室（箱）內(nèi)的溫度升高至40℃，待儀表表面溫度穩(wěn)定后，使用外部的智能電能表檢驗(yàn)裝置給多表位的被測電能表施加標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的額定最大電流、1.15倍參比電壓，試驗(yàn)時(shí)間2h，通過外置無線接收裝置實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)觀測內(nèi)部電能表表面溫度變化，如果超過25K（即25℃），則該項(xiàng)檢測結(jié)果為不合格。

1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

智能電能表溫升自動(dòng)檢測系統(tǒng)主要是由帶溫度傳感器的無線傳感節(jié)點(diǎn)組成，是一種典型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)場合中的應(yīng)用。本項(xiàng)目中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求：

1）溫度測量范圍(室溫～+100)℃、測量精度±1℃；

2）傳感節(jié)點(diǎn)至少能夠采集6路溫度通道的信號，采樣周期不長于3秒；

3）無線傳感節(jié)點(diǎn)需要在采集到數(shù)據(jù)后的1秒內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)；

4）同時(shí)檢測多塊（如50）電能表的溫升數(shù)據(jù)，無線數(shù)據(jù)的通訊需穩(wěn)定可靠；

5）無線傳感終端節(jié)點(diǎn)由電池供電，無線通訊網(wǎng)絡(luò)必須具有相對較低的功耗；

6）在電池電量過低時(shí)，用戶不需要取下電池可直接對電池進(jìn)行充電；

7）當(dāng)溫度傳感器損壞時(shí)，傳感器的更換需簡單方便。

2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求之一就是在滿足用戶的需求同時(shí)具有良好的拓展性，終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路由MCU、無線通訊模塊、LCD顯示模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、溫度采集模塊、電量采集模塊、DC-DC模塊、充電模塊構(gòu)成。MCU作為終端節(jié)點(diǎn)的核心，控制整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行；無線通訊模塊作為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間通訊的橋梁，對整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的正常通訊運(yùn)行提供了硬件支持。LCD顯示單元用于顯示終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，如溫度數(shù)據(jù)、鋰電池電量、系統(tǒng)異常狀態(tài)等，考慮終端節(jié)點(diǎn)的能量效率，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)LCD處于關(guān)閉狀態(tài)；Flash存儲(chǔ)單元主要用于存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)的地址配置，使得終端節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)電能表在邏輯上相綁定；溫度采集模塊主要用于采集電能表的溫度；終端節(jié)點(diǎn)的能源都來源于鋰電池，考慮到單節(jié)鋰電池的電壓一般在3.6V-4.2V，為了給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，則需要一款低壓降的DC-DC直流穩(wěn)壓模塊；電量采集模塊的主要功能是測量終端節(jié)點(diǎn)鋰電池電量，方便用戶對節(jié)點(diǎn)電池電量的觀測；USB接口單元在終端節(jié)點(diǎn)中具有雙重作用，對鋰電池充電單元提供能量來源和為終端節(jié)點(diǎn)的配置提供接口。

終端節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)包括由中斷程序組成的前臺程序和由輪詢系統(tǒng)組成的后臺程序兩部分組成。前臺程序具體為無線射頻（RF）接收中斷程序、USB接收數(shù)據(jù)中斷程序、定時(shí)器T3中斷程序、P0口外部中斷程序和P1口外部中斷程序。在終端節(jié)點(diǎn)中，USB接口主要用于接收檢測軟件的地址配置；RF接收中斷的主要作用為接收應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)幀和命令幀，并將RF接收的數(shù)據(jù)從寄存器讀取到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，供后臺程序處理；定時(shí)器T3中斷程序主要用于給溫度的采集提供周期信號。前臺程序通過掩碼的方式提供相應(yīng)的程序狀態(tài)標(biāo)志位供后臺輪詢系統(tǒng)查詢，輪詢系統(tǒng)通過判斷程序狀態(tài)標(biāo)志位，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的程序。

圖1 多表位智能電能表溫升檢測系統(tǒng)示意圖

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線通訊電路設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件平臺的核心是一款帶有MCU頻段為2.4GHz的射頻SOC芯片CC2531f256。MCU和射頻電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示，該電路的設(shè)計(jì)主要包括電源電路，射頻電路和處理器接口電路三部分。

CC2531f256的能量來自于底板提供的3.3V電壓，但需要對這一電壓進(jìn)行穩(wěn)定性處理，首先電源經(jīng)過一個(gè)值為1mH的電感，以減少交流、高頻信號的干擾，同時(shí)CC2531f256的8個(gè)電源引腳分別連接了100nf的電容以保證電源電壓穩(wěn)定性。CC2531f256的射頻信號采取差分信號，其最佳負(fù)載是69+j29Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，采用50Ω的單鞭天線，阻抗匹配電路采用的巴倫電路，巴倫電路是由成本較低的電容和電感組成。處理器接口電路給母板提供了USB接口和GPIO口，以完成USB通訊、溫度采集和電池電量采集等功能，在USB接口電路中，通過驅(qū)動(dòng)能力為20mA的GPIO口P1_0，驅(qū)動(dòng)1.5K的上拉電阻，以通知上位機(jī)對USB設(shè)備的巡檢和識別，同時(shí)在USB的USB_N與USB_P中都分別連接了47pF的電容和阻值為33Ω的電阻，以保USB信號的質(zhì)量。

圖3 MCU 和射頻電路設(shè)計(jì)原理圖

在無線通訊模塊的PCB繪制中，最大的困難來自于巴倫電路的繪制，巴倫電路PCB的設(shè)計(jì)，直接影響到無線通訊的性能。除了巴倫電路的設(shè)計(jì)對外，影響無線通訊模塊射頻性能另外一個(gè)重要因素就是PCB的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。電能表溫升檢測系統(tǒng)無線通訊模塊的EMC設(shè)計(jì)主要考慮了以下幾個(gè)方面：

1）保證地線的完整和均勻性。在布線時(shí)盡量將大塊的地線區(qū)域進(jìn)行分割從而使得地線在電路板上能夠均勻分布，頂層板與底層的地線之間辦采用大量過孔連接；

2）巴倫電路附近不布線，以減少普通信號與射頻信號之間的相互干擾；并且構(gòu)成巴倫電路的電容和電感都采用0402的封裝，以較少封裝尺寸對射頻信號的影響；

3）采用的32MHz的晶振下方有地線并且盡量接近射頻芯片，以提高晶振的精度；

4）信號線和電源線都需進(jìn)行處理，相鄰信號線的粗細(xì)相同并且走線平行，電源線通過加粗處理并且與濾波電容和電感連接的方式以保證電源信號的質(zhì)量。

3.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

電能表溫升檢測系統(tǒng)中溫度傳感器采用的是數(shù)字芯片DS18B20，其測量范圍、測量精度、測量速度和重復(fù)性都可以滿足本系統(tǒng)的需求[3]。DS18B20雖為一款單總線設(shè)備，但是本系統(tǒng)中使用的6塊DS18B20并沒有掛在一根總線下，而是分別于MCU的6個(gè)GPIO口相連接，主要是考慮到在系統(tǒng)的實(shí)際使用過程中，傳感器的損壞而導(dǎo)致的更換不方便的問題。如果6塊DS18B20都使用同一個(gè)GPIO口進(jìn)行控制，其中有一路傳感器損壞，用戶將無法辨別具體是哪一路傳感器發(fā)生異常，因?yàn)?塊DS18B20連接在一根總線上會(huì)增加傳感器更換的難度。在硬件設(shè)計(jì)中，DS18B20與MCU的連接如圖4所示，DS18B20采用標(biāo)準(zhǔn)的3線式接法。在對DS18B20供電時(shí)，采用了一個(gè)MOSFET開關(guān)器件來控制DS18B20的供電，以降低DS18B20不工作時(shí)的能量損耗。

圖4 溫度測量電路設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文介紹了一種智能電能表溫升自動(dòng)檢測系統(tǒng)軟件的背景，介紹了檢測過程，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)PCB版圖見圖5，實(shí)物圖見圖6，分析了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用情況良好。該系統(tǒng)的應(yīng)用簡化了檢測過程，減少了人工干預(yù)，大大提高了檢測自動(dòng)化程度。

圖5 節(jié)點(diǎn)PCB 版圖

圖6 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

[1]GB/T 17215.211-2006,交流電測量設(shè)備通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件第11 部分：測量設(shè)備[S].

[2]馮守超,朱凌,劉振波.單相智能電能表溫升的試驗(yàn)方法[J].低壓電器, 2012, (16).

[3]張軍. 智能溫度傳感器DS18B20 及其應(yīng)用[J]. 儀表技術(shù), 2010(4).